I Sverige förekommer ammonium naturligt i låga halter i grundvattnet. Förhöjda halter kan förekomma i syrefattiga vatten och tillsammans med höga järn-, mangan- och humushalter. Förhöjda värden förekommer främst i bergborrade brunnar men även vid påverkan från t.ex. avlopp och deponier. Vid höga halter finns även risk för nitritbildning, särskilt i filter och långa ledningsnät. Livsmedelsverket och Socialstyrelsen anger att grundvatten med ammoniumhalter över 0,50 mg/l är tjänliga med anmärkning. Skåne och Danmark har flera grundvattenförekomster med höga ammoniumhalter. Effektiva metoder för avskiljning av ammonium i grundvattentäkter är därför viktiga att tillhandahålla för en säker dricksvattenförsörjning. Följande artikel beskriver hur biologiska snabbfilter kan användas för oxidering av ammonium.
Av: Thomas Pettersson
En ny försöksmetod i labskala har utvecklats för att studera platsspecifik nitrifikation och ge information om biokinetik i biologiska snabb-sandfilter för grundvattenberedning. I försöksuppställningen har en kolonn med filtermaterial från ett fullskaligt filter, i ett befintligt grundvattenverk, använts. Filtret är kontinuerligt belastat med en konstant ammoniumdos. Flödesförhållandena i filtret skall efterlikna de hydrodynamiska förhållandena i fullskala, och referensdosen ammonium är beräknad utifrån genomsnittlig belastning i fullskalefiltren. Koncentrationen ammonium analyseras sedan i det utgående vattnet för att kunna beräkna snabbfiltrets avskiljningseffektivitet. Ammoniumbelastningen varieras för att hitta den kritiska belastningen, d.v.s. när filtret inte klarar av att avskilja ammonium tillräckligt. Den maximala avskiljningseffektiviteten bestämdes till 6,9 g NH4+-N/m3 packad sand/h vid belastningen 7,5 g NH4+-N/m3 packad sand/h. Avskiljningsresultaten från labstudien beskriver förhållandena från de fullskaliga observationerna väl. Metoden har visat sig vara snabb och enkel och är ett kraftfullt verktyg för att få inblick i kinetiken av nitrifikationsprocessen i snabbfilter.
Bakgrund och metodik
Biologiska snabbfilter med sand som filtermedia används för att avlägsna ammonium, järn och mangan i grundvattenverk. Det är viktigt att erhålla fullständig nitrifikation för att begränsa mikrobiell tillväxt i distributionssystemet och förhindra ackumulering av giftig nitrit i dricksvattnet, samt minimera förbrukningen av både syre och desinfektionsmedel ute på ledningsnätet.
En försöksanläggning med en bioreaktor har konstruerats i lab med filtermaterial (sand) från ett snabbfilter i ett befintligt grundvattenverk. Testmodellen består av en liten filterkolonn av plexiglas som är 2,6 cm bred och fylld med 1 mm sandkorn med ett djup på 5 cm. I filtrets inlopp tillsätts ammonium och från filtrets utlopp leds en recirkulationsström, vilken pumpas tillbaka till inloppet, som blandas med inflödet för att erhålla en stabil belastning av filtret under försöken. En mindre del av filtrets utflöde (samma storlek som inflödet) lämnar systemet.
Ammoniumbelastningen skalas i försöken upp till 2,5; 5 och 10 gånger halten i grundvattnet som tas in till det befintliga vattenverket för att studera när ammoniumhalten blir för hög ut från filtret, samt vilken avskiljningseffektivitet filtret har vid de olika belastningarna.
Resultat
Den hydrauliska belastningen på grundvattenverkets fullskaliga filter var 4,0 m/h och motsvarande för filtret i labskala var 3,8 m/h. Halten ammonium i det naturliga grundvattnet var 0,13 mg NH4+/l vilket motsvarar en volymetrisk belastning på 1,3 g NH4+-N/m3 packad sand/h, och för att initialt få en jämförbar belastning i labförsöket (1,5 g NH4+-N/m3 packad sand/h) beräknades dosen ammonium i inflödet till 1 mg NH4+/l. Halten i utflödet från labfiltret stabiliserade sig efter ett par timmars drift till 0,04 (±0,02) mg/l.
Belastningen av ammonium i inflödet ökades (enligt tidigare beskrivning) till 3,75; 7,5 och 15 g NH4+−N/m3 packad sand/h. Halten ammonium i utflödet ligger relativt konstant (ca 0,04 mg/l) vid de två första belastningsökningarna men vid den högsta belastningen (15 g/m3/h) så stiger halten i utflödet direkt till 0,18 (±0,01) mg/l, vilket innebär att filtret inte kan avskilja belastningar över 7,5 g NH4+-N/m3 packad sand/h i tillräcklig grad. Även halten nitrit (NO2-N) ligger relativt konstant (<0,038 mg/l) under försöken. Nitrathalten (NO3-N) ökade i samma utsträckning som ammonium minskade vilket stödjer att ammonium oxideras fullständigt till nitrat.
Försöksfiltrets avskiljningseffektivitet ökade linjärt upp till belastningen 7,5 g/m3/h för att sedan avvika vid ännu högre belastning. Detta visar att avskiljningen upp till denna kritiska belastning följer första ordningens kinetik.
Diskussion och slutsatser
Den presenterade försöksmetoden, labskale-kolonn, beskriver väl kinetiken i fullskaliga biologiska snabbfilter samt också fungerar väl för att bestämma vid vilka belastningar som filtret fungerar tillräckligt effektivt. I denna studie sker överbelastning vid >7,5 g NH4+-N/m3 packad sand/h, då biokinetiken inte längre kan beskrivas enligt första ordningens avskiljning.
Källa: Tatari, K., Smets, B. F., Albrechtsen H.-J. (2013). A novel bench-scale column assay to investigate site-specific nitrification biokinetics in biological rapid sand filters. Water ––––Research, 47(16), p. 6380-6387.
Hela artikeln i Water Research finns att köpa här. (Grafik till artikeln finns i Abstract!)
Adress: Department of Environmental Engineering, Technical University of Denmark, Miljøevej 113, 2800 Kgs. Lynby, Denmark.
Kontakt: tel.: +45 45251604, e-post: kaot@env.dtu.dk (K. Tatari).
